成灌線某晃車地段CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道層間離縫整治研究

練興平,楊曉剛,汪 杰,楊 燕,王 波,劉上春,鄧非凡,王君瑞,龔 濤,齊明東

(1.中國(guó)鐵路成都局集團(tuán)有限公司成都高鐵工務(wù)段,成都 610015； 2.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031; 3.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司,成都 611731)

成灌鐵路是我國(guó)第一條采用自主創(chuàng)新CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道的鐵路[1]，線路從上往下依次是鋼軌、WJ-8扣件、CRTSⅢ型軌道板、自密實(shí)混凝土、中間隔離層(土工布)和底座[2]，通過(guò)限位凹槽實(shí)現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)的縱橫向限位[3]。由于自密實(shí)混凝土層采用模筑法施工，為了保證在灌注時(shí)自密實(shí)混凝土填充飽滿，其流平液面略高于軌道板底面[4-5]；為了有效排水和防止雨水滲入自密實(shí)混凝土與底座板層間內(nèi)部，在自密實(shí)混凝土施工結(jié)束后，將底座板的表面進(jìn)行加高并使其略高于自密實(shí)混凝土層底面，即形成了自密實(shí)混凝土部分包裹了軌道板，底座板部分包裹自密實(shí)混凝土的豎向?qū)娱g結(jié)構(gòu)。成灌線運(yùn)營(yíng)至今已達(dá)7年，在高頻列車荷載和環(huán)境荷載的耦合作用下，層間離縫病害已成為CRTSⅢ型板式軌道主要傷損之一[6-7]，加上成灌線無(wú)砟軌道從下往上依次包裹的特殊結(jié)構(gòu)形式，給層間離縫的識(shí)別和整治增加了一定的困難，因此針對(duì)成灌線CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道層間離縫病害開(kāi)展整治研究具有重要意義[8]。

1 離縫病害檢測(cè)和影響分析

建設(shè)施工階段的質(zhì)量缺陷使無(wú)砟軌道在運(yùn)營(yíng)前就存在一定的層間傷損，運(yùn)營(yíng)階段在列車荷載和溫度荷載循環(huán)作用下逐漸發(fā)展成為層間離縫[9-11]，滲入離縫內(nèi)部的雨水將層間磨損的粉末顆粒帶到外面形成滲漿，導(dǎo)致層間離縫寬度和范圍進(jìn)一步擴(kuò)大[12-15]。無(wú)砟軌道層間離縫不僅劣化了軌道結(jié)構(gòu)的服役性能，而且當(dāng)離縫寬度發(fā)展到一定程度時(shí)將對(duì)列車運(yùn)行帶來(lái)安全隱患[16-18]。

1.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析

成都鐵路局在對(duì)成灌線CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道開(kāi)展常規(guī)工務(wù)檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)下行線某區(qū)段存在明顯的晃車現(xiàn)象。由于靜態(tài)檢查時(shí)未發(fā)現(xiàn)軌道幾何形位不良現(xiàn)象，但該區(qū)段存在鋼軌內(nèi)側(cè)磨耗和層間離縫嚴(yán)重滲漿問(wèn)題，通過(guò)分析軌檢車檢測(cè)數(shù)據(jù)，初步判斷晃車是由無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)不良引起的。于是在下行線晃車嚴(yán)重處布置兩個(gè)測(cè)試斷面，同時(shí)在上行線(不晃車)相同斷面處布置對(duì)比測(cè)點(diǎn)，測(cè)試內(nèi)容包括鋼軌的垂向加速度、軌道板的垂向加速度、軌道板和自密實(shí)混凝土層的相對(duì)垂向位移、自密實(shí)混凝土層與底座板間的相對(duì)垂向位移和底座板與基礎(chǔ)間的相對(duì)垂向位移，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示，連續(xù)測(cè)試2 d。

圖1 下行線測(cè)點(diǎn)布置平面

下行線某趟車通過(guò)時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖2所示，軌道板與自密實(shí)混凝土層間相對(duì)垂向位移值在8號(hào)測(cè)點(diǎn)和11號(hào)測(cè)點(diǎn)處的最大值分別為0.006 7 mm和0.01 mm，在6號(hào)測(cè)點(diǎn)和7號(hào)測(cè)點(diǎn)處的相對(duì)垂向位移的差值均在0.01 mm以內(nèi)，說(shuō)明測(cè)試段內(nèi)軌道板沒(méi)有出現(xiàn)不均勻的垂向位移。底座板與基礎(chǔ)間的相對(duì)垂向值在4號(hào)測(cè)點(diǎn)處最大為0.012 mm，在2號(hào)測(cè)點(diǎn)處的最小相對(duì)垂向位移值為-0.016 mm，相對(duì)垂向位移呈正值說(shuō)明基礎(chǔ)的垂向位移大于底座板的垂向位移，呈負(fù)值則是底座板的垂向位移大于基礎(chǔ)的垂向位移，即底座板和基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻垂向位移的差值分別為0.016 mm和0.012 mm，對(duì)整體軌道結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有影響。自密實(shí)混凝土層與底座板間相對(duì)垂向位移值在5號(hào)測(cè)點(diǎn)和9號(hào)測(cè)點(diǎn)處的最小值分別為-0.243 mm和-0.181 mm，說(shuō)明自密實(shí)混凝土層相對(duì)于底座板出現(xiàn)了較大的垂向位移，自密實(shí)混凝土層的不均勻垂向位移差值為0.062 mm，同一測(cè)試平面上自密實(shí)混凝土層與底座板間的相對(duì)垂向位移差值大于0.2 mm，給行車的平穩(wěn)性帶來(lái)一定的影響。

圖2 下行線某趟車通過(guò)時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)

圖3 上、下行線相對(duì)位移測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

將上行線(不晃車)和下行線同一測(cè)試斷面的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比分析，如圖3所示。由圖3(a)可知，下行線的軌道板與自密實(shí)混凝土層間的相對(duì)位移為正值，6號(hào)測(cè)點(diǎn)和8號(hào)測(cè)點(diǎn)的最大位移差值為0.006 8 mm，上行線的軌道板與自密實(shí)混凝土層間的垂向相對(duì)位移為負(fù)值，6號(hào)測(cè)點(diǎn)和8號(hào)測(cè)點(diǎn)的最大的位移差值為0.026 5 mm，說(shuō)明下行線的軌道板與自密實(shí)混凝土層間支承狀態(tài)良好，不是導(dǎo)致行車晃車的因素。由圖3(b)可知，下行線的自密實(shí)混凝土層與底座板間垂向相對(duì)位移為負(fù)值，5號(hào)測(cè)點(diǎn)和9號(hào)測(cè)點(diǎn)的最大的位移差值為0.243 mm，上行線的自密實(shí)混凝土與底座板間的相對(duì)垂向位移為正值，5號(hào)測(cè)點(diǎn)和9號(hào)測(cè)點(diǎn)的最大的位移差值為0.008 mm，同時(shí)分析已采集的其他下行線測(cè)試數(shù)據(jù)，自密實(shí)混凝土相對(duì)于底座板的垂向最大位移達(dá)到0.315 mm，說(shuō)明下行線的自密實(shí)混凝土層與底座板間支承狀態(tài)不良，即自密實(shí)混凝土層與底座板間出現(xiàn)了較大的層間脫空而導(dǎo)致底座板過(guò)大的垂向位移。下行線10號(hào)測(cè)點(diǎn)處底座板與基礎(chǔ)間的垂向相對(duì)位移的最大值為-0.007 3 mm，上行線10號(hào)測(cè)點(diǎn)和12號(hào)測(cè)點(diǎn)處底座板與基礎(chǔ)間的最大的位移差值為-0.008 5 mm，下行線與上行線(不晃車)的底座板與基礎(chǔ)間垂向相對(duì)位移數(shù)據(jù)相差很小，即底座板與基礎(chǔ)間支承狀況良好。

選取某兩趟列車通過(guò)測(cè)試斷面時(shí)的上、下行鋼軌加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖4所示，下行線17、18號(hào)測(cè)點(diǎn)較上行線(不晃車)17、18號(hào)測(cè)點(diǎn)的加速度值波動(dòng)性大，但大部分情況下的下行線鋼軌垂向加速度略小于上行線鋼軌垂向加速度，即自密實(shí)混凝土與底座板間的較大脫空對(duì)鋼軌的垂向加速度產(chǎn)生了一定影響。

圖4 列車通過(guò)時(shí)上下行線的鋼軌加速度

1.2 有限元理論計(jì)算

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，自密實(shí)混凝土層與底座板的垂向相對(duì)位移最大值超過(guò)0.3 mm，建立自密實(shí)混凝土層與底座板層間脫空有限元梁板模型，如圖5所示。鋼軌采用梁?jiǎn)卧M，軌道板和自密實(shí)混凝土層采用板單元模擬，扣件采用等效剛度的線性彈簧模擬，底座板采用均勻分布的等效剛度彈簧單元模擬，自密實(shí)混凝土層下部脫空通過(guò)刪除相應(yīng)區(qū)域的底座板彈簧來(lái)模擬，忽略基礎(chǔ)的垂向位移。動(dòng)車組軸重為170 kN，沖擊系數(shù)取1.5，單個(gè)輪重為127.5 kN。

圖5 有限元分析模型

(1)工況1：自密實(shí)混凝土沿軌道板縱向脫空

自密實(shí)混凝土層底面沿橫向的脫空深度設(shè)置為0.5 m，左側(cè)沿線路縱向的脫空長(zhǎng)度設(shè)為3塊軌道板的長(zhǎng)度，右側(cè)沿軌道板縱向脫空長(zhǎng)度設(shè)為1塊軌道板的長(zhǎng)度，其計(jì)算結(jié)果如圖6所示。左側(cè)和右側(cè)自密實(shí)混凝土層的垂向位移最大值分別為0.108 4 mm和0.107 6 mm。

圖6 沿軌道板縱向脫空計(jì)算云圖

(2)工況2：自密實(shí)混凝土沿軌道板橫向不貫穿脫空

自密實(shí)混凝土底面沿線路縱向的脫空長(zhǎng)度為3.25 m，左側(cè)沿線路橫向脫空深度為1.1 m，右側(cè)沿線路橫向脫空深度為2.25 m。左側(cè)和右側(cè)自密實(shí)混凝層的垂向位移最大值分別為0.269 mm和0.152 2 mm。

(3)工況3：自密實(shí)混凝土層沿軌道板橫向貫穿脫空

左側(cè)自密實(shí)混凝土層沿線路縱向的脫空長(zhǎng)度設(shè)置為2.05 m，其中橫向貫穿脫空長(zhǎng)度為1.75 m，橫向未貫穿脫空長(zhǎng)度為0.3 m；右側(cè)自密實(shí)混凝土層沿線路縱向的橫向未貫穿脫空長(zhǎng)度為1.75 m。左側(cè)和右側(cè)自密實(shí)混凝土層的垂向位移最大值分別為0.241 mm和0.179 5 mm。

綜上所述，下行線(晃車)測(cè)試斷面處軌道板與自密實(shí)混凝土層間垂向相對(duì)位移、底座板與基礎(chǔ)層間垂向相對(duì)位移均較小，不會(huì)對(duì)行車造成影響；自密實(shí)混凝土層與底座板層間的脫空值達(dá)到了0.2 mm以上，最大值為0.315 mm，鋼軌的垂向加速度波動(dòng)性相對(duì)于上行線(不晃車)增大，有限元理論計(jì)算也表明，自密實(shí)混凝土底部的較大脫空導(dǎo)致列車通過(guò)時(shí)自密實(shí)混凝土與底座板間出現(xiàn)較大的垂向相對(duì)位移，導(dǎo)致該地段出現(xiàn)晃車現(xiàn)象，影響了列車的運(yùn)行品質(zhì)。

2 離縫病害整治

為了避免晃車現(xiàn)象給列車運(yùn)行帶來(lái)的安全隱患，于2017年10月至11月對(duì)晃車地段的自密實(shí)混凝土層與底座板層間離縫開(kāi)展了全面整治工作，整治流程如下。

(1)底座板縱向切割開(kāi)槽

由于底座板部分包裹自密實(shí)混凝土層，為了將離縫暴露出來(lái)便于后續(xù)施工操作，將距離自密實(shí)混凝土側(cè)面一定寬度范圍內(nèi)的底座板切除掉，切除深度以露出層間離縫為準(zhǔn)，施工現(xiàn)場(chǎng)底座板縱向開(kāi)槽如圖7所示。

圖7 底座板縱向開(kāi)槽

(2)離縫界面鉆孔布管

沿線路縱向以約1 m的間距鉆出注漿孔，注漿孔與層間離縫界面斜交并貫穿離縫界面，使用吹風(fēng)機(jī)將注漿孔內(nèi)灰塵清理干凈，依次往注漿孔內(nèi)安置注漿管。

(3)離縫側(cè)面封閉

使用離縫專用封邊材料將底座板的溝槽進(jìn)行封閉并固定注漿管，在封邊材料初凝時(shí)抹出排水坡，減少雨水對(duì)層間界面的侵蝕。

(4)離縫注漿

待離縫封邊材料完全固化后，使用注漿設(shè)備將注漿材料通過(guò)注漿管依次填充進(jìn)入層間離縫內(nèi)部，當(dāng)相鄰注漿管溢漿時(shí)，轉(zhuǎn)移至下一個(gè)注漿管繼續(xù)注漿，直至所有注漿管注漿完畢。

(5)離縫側(cè)面防水處理

清除外漏注漿管和離縫封邊材料表面灰塵，均勻涂刷一層表面封閉材料，提高無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)整體防水性能，如圖8所示。

圖8 離縫側(cè)面防水

3 離縫病害治理效果

自密實(shí)混凝土層與底座板層間離縫整治工作結(jié)束后，運(yùn)用軌檢車對(duì)下行線晃車區(qū)段的整治效果進(jìn)行了動(dòng)態(tài)檢驗(yàn)，整治前后的軌道幾何形位等數(shù)據(jù)對(duì)比情況如圖9所示，圖中灰色曲線表示整治前的軌道數(shù)據(jù)，彩色曲線表示整治后的軌道數(shù)據(jù)。由圖9可知，層間離縫整治前存在左側(cè)鋼軌軌向不平順和軌距及軌距變化率不平順，整治后左側(cè)鋼軌的軌向不平順和軌距及軌距變化率不平順得到了大大改善，晃車問(wèn)題基本得到解決，取得了較好的整治效果，驗(yàn)證了整治工藝的可靠性。

圖9 整治前后對(duì)比情況

4 主要結(jié)論及建議

基于成灌線某晃車地段的CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道病害整治項(xiàng)目，開(kāi)展了層間離縫滲漿整治研究，得到以下主要結(jié)論。

(1)通過(guò)布置加速度傳感器和位移傳感器測(cè)點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方式，可以識(shí)別軌道結(jié)構(gòu)層間離縫的寬度和鋼軌垂向加速度的變化情況，且精度較高。

(2)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，列車通過(guò)晃車地段時(shí)存在離縫的自密實(shí)混凝土層與底座板之間的垂向相對(duì)位移達(dá)到0.2 mm以上，鋼軌的垂向加速度波動(dòng)性增大，基本判斷是層間離縫過(guò)大導(dǎo)致了該地段晃車。

(3)有限元分析表明，自密實(shí)混凝土層下部出現(xiàn)脫空時(shí)，在列車荷載作用下自密實(shí)混凝土層將出現(xiàn)較大的垂向位移，垂向位移量隨脫空長(zhǎng)度和深度的增加而增大。

(4)軌檢車動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，對(duì)晃車地段采取的離縫注漿整治措施取得了良好效果，左側(cè)鋼軌的軌向不平順和軌距及軌距變化率不平順得到了改善。

由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試只安排了2個(gè)測(cè)試斷面，無(wú)法掌握晃車地段CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道層間離縫的整體情況，在以后的離縫整治工作中應(yīng)加密測(cè)試斷面數(shù)量，以便制定更科學(xué)合理的整治方案。